CN103136113B - 面向多核处理器的共享Cache冲突预测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及多核处理器的共享Cache冲突预测方法，具体的说它是一种在多核处理器环境下，对并发任务的共享Cache性能分析及预测。以任务独立执行时的Cache静态复用距离为输入，建立基于二阶Markov链的共享Cache状态模型并通过计算模型底层Markov链和顶层的随机事件得到每次Cache访问后输出的状态观察序列值，最终形成一组符合概率分布的观察值向量，根据观察值向量预测任务的Cache空间占用率，失效率和并发任务间发生Cache访问冲突的概率。本发明预测精度更高，扩展性较强，无须额外硬件支持，功能全面，应用更加广泛。

Description

面向多核处理器的共享Cache冲突预测方法

技术领域

本发明涉及多核处理器的共享Cache冲突预测方法，具体的说它是一种在多核处理器环境下，对并发任务的共享Cache性能分析及预测。

背景技术

现代多核处理器仍具有多级Cache结构即每个处理器核心独占一个小容量的L1Cache，多个核心共享一个较大容量的L2Cache。这种结构缓解了处理器和内存之间的速度差异问题，但也对实时系统的设计带来了新挑战。在实时系统中，并发任务对共享Cache的访问冲突增加了任务的Cache失效率。系统被迫频繁地置换Cache中的数据，延长了任务的执行时间，导致任务集不可调度，并且降低了系统的整体性能。

图1A显示在多核处理器环境下，并发任务数量与共享Cache丢失率之间的关系。当4个任务并发执行时，Cache丢失数显著高于2个任务并发执行与单个任务执行时的情况。这说明Cache丢失数随着并发任务数量的增加而增加。图1B说明了任务单独执行和并发执行时Cache丢失的增加情况，当实时检测工具任务与art程序和gzip程序并发执行时Cache丢失数分别增加了360％和120％。

为了解决实时系统中的共享Cache访问冲突的问题，Cache划分，Cache感知的实时线程调度算法等技术已成为实时系统领域的研究热点。然而，这些技术并没有对共享Cache冲突进行预测、分析与评价。而共享Cache冲突的预测与分析则是Cache划分与Cache感知的实时调度的先决条件。因此，一些共享Cache的分析与评价模型应运而生。如：StatCache模型根据程序单独执行时的复用距离，可以预测该程序在不同Cache容量下的失效率。但是StatCache模型为降低模型的复杂度而假设Cache的替换策略为Random策略。StatShare模型对StatCache模型进一步改造，使其能够适用于多核处理器平台，分析了共享Cache对多个并发任务的影响。但是，该模型依然使用简单Random替换策略。Prob模型支持LRU的Cache替换策略，根据程序独立运行时的共享Cache访问序列，获得在多个程序并发执行的情况下，由于Cache访问冲突而造成的Cache失效率。然而，该模型依赖于特定的硬件，并且使用数学期望代替随机变量，降低了预测的精度。现有的Cache冲突预测与分析模型大多面向单核处理器，虽然一些模型通过改造适应了多核处理器的计算机系统，然而仍存在精度低，性能参数少等缺点。

发明内容

针对现有的Cache冲突预测方法的不足，本发明要解决的技术问题是针对多核处理器共享Cache体系结构和最广泛应用的LRUCache替换策略，对多个并发任务访问共享Cache行为的预测并能够对并发任务的Cache空间占用率，失效率和Cache访问冲突的概率等方面进行评价。

本发明为实现上述目的所采用的技术方案是：面向多核处理器的共享Cache冲突预测方法，包括以下步骤：

获取任务独立执行时的共享Cache静态复用距离；

根据各任务的共享Cache静态复用距离，确定多核处理器环境下并发任务的共享Cache状态；

建立模型参数；

计算模型得到观察值向量；

根据观察值向量预测任务的Cache空间占用率，失效率和并发任务间发生Cache访问冲突的概率。

所述共享Cache状态为在LRU替换策略下的共享Cache状态，记为S(L(1，1)，L(1，2)......L(i，j))，其中，元组L(i，j)表示任务i占共享Cache中第j组位置，0≤i≤任务总数，0≤j≤共享Cache相联度。

所述模型参数包括：

内存中所有任务的并发度：在内存中共驻有M个任务，而这些任务的并发度为M；

N+1个计数器：在LRU替换策略下，命中的Cache访问计数，记为C(1)，C(2)......C(N)；失效的Cache访问计数C(N+1)，记为C(＞N)，即公式(1)

$C_i\left(n\right)=\left\{\begin{array}{c}\mathrm{Hit\; Count\; of\; LRU\; n\; if}(1\≤n\≤N)\\ \mathrm{Miss\; Counts\; if}(n=N+1)\end{array}\right.1\≤i\≤M---\left(1\right)$

其中，i为内存中并发的任务的标号；

状态间的转移矩阵为A：由状态转移概率构成M^N×M^N的状态转移矩阵，第i行第j列元素为a_ij，意义是从状态S_i到S_j的状态转移概率。

观察概率B：Cache访问观察概率B{b_j(k)}，b_j(k)表示在状态j时，模型输出符号o_k的概率为b_j(τ)＝P(o_k|j)1≤k≤τ，1≤j≤M^N；

初始状态概率分布π：系统初始时，共享Cache各状态的概率。

所述状态间的转移矩阵为A由M^N×M^N个状态转移概率

$a_{\mathrm{ij}}=\left\{\begin{array}{cc}{\mathrm{Af}}_0+\underset{(i,n)\∈\{1\≤x\≤M,1\≤y\≤N+1\}}{\mathrm{\Σ}}\frac{{\mathrm{Af}}_x*C_x\left(y\right)}{\underset{n=1}{\overset{N+1}{\mathrm{\Σ}}}{C}_x\left(n\right)}& \mathrm{if}(i=j)\\ \underset{(x,y)\∈\{1\≤x\≤M,1\≤y\≤N+1\}}{\mathrm{\Σ}}\frac{{\mathrm{Af}}_x*C_x\left(y\right)}{\underset{y=1}{\overset{N+1}{\mathrm{\Σ}}}{C}_x\left(y\right)}& \mathrm{if}(i\≠j)\\ 0& \mathrm{if}\left(\mathrm{cannot\; Transfer}\right)\end{array}\right.---\left(3\right)$

构成，其中Af_i表示任务i平均每周期发生Cache访问的概率，

${\mathrm{Af}}_i=\left\{\begin{array}{c}1-\underset{1\≤j\≤M}{\mathrm{\Σ}}{\mathrm{Af}}_j(i=0)\\ \frac{{\mathrm{\Σ}}_{1\≤n\≤N+1}{C}_i\left(n\right)}{\mathrm{Execution\; cycle\; count}}(i\≠0)\end{array}\right.---\left(2\right)$

其中Executioncyclecount是任务的执行周期计数。

所述观察概率B由正则Markov链性质及观察概率概念得到，

$\left\{\begin{array}{c}{b}_{i}A=b_i(i=\mathrm{1,2}...M^N)\\ \underset{i=1}{\overset{M^N}{\mathrm{\Σ}}}{b}_i=1\end{array}\right.---\left(4\right)$

求解b_i得到观察概率，其中b为B的第i行行向量。

所述计算模型得到观察值向量的步骤具体为：

设t＝1，按照初始状态概率分布π，选择一个初始状态S₁＝S_i；

按照状态i输出符号的概率分布b_i(k)，选择t时刻输出值o_k；

按照状态转移概率分布a_ij选择一个后继状态S_t+1＝S_j；

若t＜T，令t＝t+1，并且转移到本算法步骤的第2步继续执行，否则结束；

每发生一次Cache访问就能确定一个Cache观察序列值，最终模型输出观察序列向量O(o₁，o₂…o_τ)。

所述根据观察值向量预测任务的Cache空间占用率通过

${\mathrm{TS}}_i=\frac{{\∫}_0^T{\mathrm{Space}}_i\left(t\right)\mathrm{dt}}{N*T}=\frac{1}{T}(\frac{{\mathrm{Space}}_i\left(o_0\right)}{N}+\frac{{\mathrm{Space}}_i\left(o_1\right)}{N}+...+\frac{{\mathrm{Space}}_i\left(o_t\right)}{N})---\left(6\right)$

计算得出，其中，Space_i(t)＝{L_x，y|L_x，y∈o_t∧x＝i}，表示任务i所在观察序列t时刻所占共享Cache的大小。

所述根据观察值向量预测任务的失效率具体为，任务i在Cache状态S_j下发生失效的概率为

${\mathrm{MP}}_i\left(S_j\right)=\frac{{\mathrm{\Σ}}_{n=\{S_j,x=1\}}^{N+1}{C}_i\left(n\right)}{{\mathrm{\Σ}}_{n=1}^{N+1}{C}_i\left(n\right)}---\left(7\right)$

系统Cache失效率为M个任务失效率的和与任务对Cache访问次数的比值即

$\mathrm{MPA}=\frac{{\mathrm{\Σ}}_{i=1}^M\left({\mathrm{MP}}_i\left(O\right){\mathrm{\Σ}}_{n=1}^N{C}_i\left(n\right)\right)}{{\mathrm{\Σ}}_{i=1}^M{\mathrm{\Σ}}_{n=1}^N{C}_i\left(n\right)}---\left(8\right)$

所述根据观察值向量预测并发任务间发生Cache访问冲突的概率具体为，任务i与其他任务发生Cache访问冲突的概率为

$\frac{{\mathrm{\Σ}}_{i=1}^M({\mathrm{CDF}}_{\mathrm{ij}}\left(O_t\right)-{\mathrm{MP}}_i\left(O_t\right))}{{\mathrm{\Σ}}_{i=1}^M{C}_i(N+1)}---\left(10\right)$

系统平均每次访问Cache引起任务间Cache访问冲突的概率为

$\frac{{\mathrm{\Σ}}_{i=1}^M({\mathrm{CDF}}_{\mathrm{ij}}\left(O_t\right)-{\mathrm{MP}}_i\left(O_t\right))*{\mathrm{\Σ}}_{n=1}^{N+1}{C}_i\left(n\right)}{{\mathrm{\Σ}}_{i=1}^M{\mathrm{\Σ}}_{n=1}^{N+1}{C}_i\left(n\right)}---\left(11\right)$

其中，CDF_ij(O_t)在输出概率为O_t时，任务i和任务j发生冲突的累计值。

所述Cache访问冲突的条件为

$\left\{\begin{array}{c}{C}_i(N+1)=1\mathrm{when}{O}_t\\ {\mathrm{space}}_j\left(O_{t-1}\right)>{\mathrm{spcace}}_j\left(O_{t-2}\right)\\ {\mathrm{space}}_i\left(O_{t-1}\right)<{\mathrm{spcace}}_i\left(O_{t-2}\right)\\ C_j(N+1)=1\mathrm{when}{O}_{t-2}\end{array}\right.---\left(9\right)$

本发明具有以下优点：

1.本发明预测精度更高。本发明使用基于Markov链的随机事件模型，避免了传统Cache预测模型使用概率统计方式计算随机共享Cache访问发生概率带来的误差。

2.本发明扩展性较强。现有模型中Prob模型精度最高，本发明相比Prob模型扩展性更强，因为Prob模型现在只建模了两个线程使用共享Cache的情况，当两个以上线程使用共享Cache时，需要从计算循环访问序列重新建模，而此时模型随机变量的数量随着任务的增加成倍数增加，模型将变得异常复杂。而本模型只是转移矩阵增加，模型步骤不变，因此本发明的扩展性较强。

3.本发明无须额外硬件支持。本发明的输入是任务单独执行时的Cache复用距离，可以通过操作系统读取处理器中共享Cache计数器值做累加得到静态复用距离，除此还可以通过分析离线的Profile和模拟器的模拟执行的方式获取无需硬件支持。而其他模型如Prob模型需要Tag和LRU阵列支持才能在程序执行过程中动态获得循环访问序列。

4.本预测模型功能全面。由于在多核处理器环境下，共享Cache需要为多个核心提供数据，因此情况比单核环境中更为复杂，不能只从任务失效率对Cache进行评价，还需要对任务的Cache占用率和任务间Cache冲突概率等多方面对Cache进行评价。这三个参数相辅相成、互相影响。Cache空间占用率反映了多个任务并发执行时的Cache资源使用情况，从共享Cache的角度分析了并发任务的执行行为；失效率是反映任务和Cache性能的重要指标，从任务性能的角度分析了并发任务的执行行为；任务间冲突反映了任务间互相影响的情况，从并发任务之间的关系角度分析了并发任务的执行情况。

5.本发明应用更加广泛。由于本发明功能更全面，不但可以评价共享Cache和并发任务的性能，还可以为共享Cache划分技术和基于Cache感知的实时调度方法提供重要的参数支持。

附图说明

图1A是不同数量任务并发时系统Cache丢失数示意图；

图1B是检测工具与其他程序并发时共享Cache丢失数对比图；

图2是Cache状态示意图；

图3是状态转移图；

图4是模型计算流程图；

图5HCDM模型与PROM模型的失效率比较示意图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明做进一步的详细说明。

本发明基于开源虚拟机openVZ平台，模拟多核处理器环境下多个任务并发使用共享Cache的执行情况。

表1实验平台计算单元设置

表2实验平台Cache设置

在Linux+RTAI实时操作系统环境下，设置实时任务rt，rttask，其中程序rt为实时系统检测工具的实时任务，rttask为设置的周期实时任务。选择非实时程序gzip，PyQt4，art，利用这些并发任务模拟了多种类型任务共存的环境。

执行实验步骤：

i.在单核环境中，让2个或4个程序分别独立运行收集静态距离信息。运行程序时应至少运行同一程序2遍用来预热Cache。

ii并发执行两个程序，使用中断触发的方式当其中之一执行完毕立即中断模拟，生成系统镜像。

iii.以shell方式重启模拟器，读取镜像，加载存储系统的时序模块，清空统计信息。

iv.并发两个任务，统计使用的L2Cache的性能参数。

v.使用实时系统检测工具，收集真实的L2Cache参数。

计算流程如图2所示，确定相联度为2的共享Cache中有2个任务有四种状态S₁，S₂，S₃，S₄。状态S₁的意义是任务1在共享Cache第1组的中，任务1占共享Cache第2组中，依此类推。

将CacheSet的4个状态视为随机序列X，则序列X满足引理1，构成隐马尔科夫模型的正则马尔科夫链，根据隐马尔科夫模型设置其参数，给定模型u＝(A，B，π)。

其中，模型的状态转移矩阵计算步骤如下：

状态转移矩阵由M^N×M^N个状态转移概率决定。2个任务共享相联度为2的Cache状态转移图如图3所示。图中节点表示Cache的状态，边表示状态之间的转移关系，边上的权值表示转移概率。如：由任务2发生Cache命中或失效时状态S₁转移到状态S₃，没有边从状态S₁到达S₄表示一次Cache操作无法从状态S₁转移到状态S₄。

符号Af_i表示任务i平均每周期发生Cache访问的概率。故Af_i为任务i的Cache访问次数与Cache的执行周期的比值。特别的，当i为0时表示没有任务发生Cache访问操作。因此，Af_i为式(2)所示，其中Executioncyclecount是任务的执行周期计数。当Cache访问发生时，CacheSet的状态发生转移。

${\mathrm{Af}}_i=\left\{\begin{array}{c}1-\underset{1\&le;j\&le;M}{\mathrm{\&Sigma;}}{\mathrm{Af}}_i(i=0)\\ \frac{{\mathrm{\&Sigma;}}_{1\&le;n\&le;N+1}{C}_i\left(n\right)}{\mathrm{Execution\; cycle\; count}}(i\&NotEqual;0)\end{array}\right.---\left(2\right)$

如果任务Cache命中，Cache状态不发生状态S_i到状态S_j的改变i＝j，转移概率a_ij为发生Cache访问的命中率加上能够由状态S_i转移到状态S_j的Cache访问发生概率的总和。当发生Cache失效时，S_i转移到状态S_j，其中i≠j，转移概率a_ij为状态S_i转移到状态S_j的Cache访问发生概率的总和。如果状态之间不能发生转移则转移概率为0。如公式(3)所示。

$a_{\mathrm{ij}}=\left\{\begin{array}{cc}{\mathrm{Af}}_0+\underset{(i,n)\&Element;\{1\&le;x\&le;M,1\&le;y\&le;N+1\}}{\mathrm{\&Sigma;}}\frac{{\mathrm{Af}}_x*C_x\left(y\right)}{\underset{n=1}{\overset{N+1}{\mathrm{\&Sigma;}}}{C}_x\left(n\right)}& \mathrm{if}(i=j)\\ \underset{(x,y)\&Element;\{1\&le;x\&le;M,1\&le;y\&le;N+1\}}{\mathrm{\&Sigma;}}\frac{{\mathrm{Af}}_x*C_x\left(y\right)}{\underset{y=1}{\overset{N+1}{\mathrm{\&Sigma;}}}{C}_x\left(y\right)}& \mathrm{if}(i\&NotEqual;j)\\ 0& \mathrm{if}\left(\mathrm{cannot\; Transfer}\right)\end{array}\right.---\left(3\right)$

可以得出，由状态转移图和公式得出任务数为2相联度为2的共享Cache状态转移概率矩阵为：

$A=\left[\begin{array}{cccc}{a}_{11}& 0& a_{13}& 0\\ a_{21}& a_{22}& a_{23}& 0\\ 0& a_{32}& a_{33}& a_{34}\\ 0& a_{42}& 0& a_{44}\end{array}\right]---\left(4\right)$

模型的观察概率：

若A为正则Markov链对应的状态转移矩阵，则随着n的渐增趋近于有限矩阵B，并且B每行具有相同维数的行向量b。若A为正则Markov链对应的状态转移矩阵，设b为B的任意行向量，则bA＝b。由于，隐马尔科夫模型是2阶正则Markov链，转移矩阵A为正则Markov链对应的状态阵则b可求。并且，由观察概率概念可知因此，对于图所示的Cache状态转移图，其Cacheset状态转移概率矩阵为A，则状态输出概率向量可以通过求解方程组的非平凡解获得：

$\left\{\begin{array}{c}{b}_1+b_2+b_3+b_4=1\\ b_1*a_{11}+b_2*a_{21}=b_1\\ b_2*a_{22}+b_{32}*a_{32}+b_4*a_{42}=b_2\\ b_1*a_{13}+b_2*a_{23}+b_3*a_{33}=b_3\\ b_3*a_{34}+b_4*a_{44}=b_4\end{array}\right.---\left(5\right)$

方程组(5)的秩为4小于方程组方程数，所以该方程组存在唯一解，通过解方程获得输出概率向量B。

模型的初始状态概率分布：

计算机系统处于初始正常执行程序时Cache的各状态的概率，可由调度算法分析具体任务集的调度情况而确定Cache初始状态。也可以通过模拟实验或分析离线Profile的方式得到初始状态，本发明根据分析模拟平台的离线Profile的得出初始状态为。

根据流程图所示产生观察序列向量O(o₁，o₂…o_τ)。根据观察序列向量使用本专利发明内容中所示计算公式，计算各任务的Cache占用率，并发任务的失效率和任务间的Cache冲突概率。得出表3预测值。

表3模型预测值与真实值比较

从表3中可以看出，模型预测两个任务并发执行时精度较高，空间占用率的平均误差为4.4％，失效率的平均误差为3.8％，而系统平均每次访问Cache引起任务间冲突概率的平均误差约为6.15％。系统并发4个任务时模型预测误差增大，空间占用率误差均值为6％，失效率的误差均值为7.8％，冲突率误差均值为8.9％。任务数增加或Cache相连度增加引起状态集几何倍数增长，状态转移矩阵急剧增大是误差增大的主要原因。因此，可以借鉴隐马尔科夫模型的状态压缩方法[7]使得模型的状态转移矩阵压缩变小提高模型精度。

传统的Cache预测模型中PROB模型的精度最高，而PROB模型只预测了任务的失效率和由于其他任务引起的额外失效率，因此本模型只与PROB对比失效率预测的准确性。

图4给出了多个程序并发执行时，HCDM模型和Prob模型对失效率的预测值和实际值的比较。比较得出，系统并行2个任务时，HCDM模型更接近真实值，其平均误差为3.8％精确于PROB的平均误差4.9％。而当4个任务并发时HCDM模型精确度小于PROB模型，其误差分别为7.8％和5.9％。由于PROB模型使用的数学期望代替的随机过程，这样不会带来转移矩阵的增大，所以在并发多个任务时PROB模型预测更精确。如图5所示，曲线HC为本发明。

Claims (9)

1.一种面向多核处理器的共享Cache冲突预测方法，其特征在于，包括以下步骤：

获取任务独立执行时的共享Cache静态复用距离；所述静态复用距离为通过操作系统读取处理器中共享Cache计数器值做累加得到；

根据各任务的共享Cache静态复用距离，确定多核处理器环境下并发任务的共享Cache状态；

建立模型参数；

计算模型得到观察值向量；

根据观察值向量预测任务的Cache空间占用率，失效率和并发任务间发生Cache访问冲突的概率；

所述共享Cache状态为在LRU替换策略下的共享Cache状态，记为S(L(1,1),L(1,2)……L(i,j))，其中，元组L(i,j)表示任务i占共享Cache中第j组位置，0≤i≤任务总数,0≤j≤共享Cache相联度。

2.根据权利要求1所述的面向多核处理器的共享Cache冲突预测方法，其特征在于，所述模型参数包括：

内存中所有任务的并发度：在内存中共驻有M个任务，而这些任务的并发度为M；

N+1个计数器：在LRU替换策略下，命中的Cache访问计数，记为C(1),C(2)……C(N)；失效的Cache访问计数C(N+1)，记为C(>N)，即公式(1)

其中，i为内存中并发的任务的标号；

状态间的转移矩阵为A：由状态转移概率构成M^N×M^N的状态转移矩阵，第i行第j列元素为a_ij，意义是从状态S_i到S_j的状态转移概率；

观察概率B：Cache访问观察概率B{b_j(k)}，b_j(k)表示在状态j时，模型输出符号o_k的概率为b_j(k)＝P(o_k|j),1≤k≤t,1≤j≤M^N；其中，t为t时刻；

初始状态概率分布π：系统初始时，共享Cache各状态的概率。

3.根据权利要求2所述的面向多核处理器的共享Cache冲突预测方法，其特征在于，所述状态间的转移矩阵为A由M^N×M^N个状态转移概率

构成，其中Af_i表示任务i平均每周期发生Cache访问的概率，

其中Executioncyclecount是任务的执行周期计数。

4.根据权利要求2所述的面向多核处理器的共享Cache冲突预测方法，其特征在于，所述观察概率B由正则Markov链性质及观察概率概念得到，

求解b_i得到观察概率，其中b_i为B的第i行行向量。

5.根据权利要求1所述的面向多核处理器的共享Cache冲突预测方法，其特征在于，所述计算模型得到观察值向量的步骤具体为：

设t＝1，按照初始状态概率分布π，选择一个初始状态S₁＝S_i；

按照状态i输出符号的概率分布b_i(k)，选择t时刻输出值o_k；

按照状态转移概率分布a_ij选择一个后继状态S_t+1＝S_j；

若t<T，令t＝t+1，并且转移到本算法步骤的第2步继续执行，否则结束；

每发生一次Cache访问就能确定一个Cache观察序列值，最终模型输出观察序列向量O(o₁,o₂…o_τ)。

6.根据权利要求1所述的面向多核处理器的共享Cache冲突预测方法，其特征在于，所述根据观察值向量预测任务的Cache空间占用率通过

计算得出，其中，Space_i(t)＝{L_x,y|L_x,yεo_t∧x＝i}，表示任务i所在观察序列t时刻所占共享Cache的大小，L_x,y即为元组L(i,j)，表示任务i占共享Cache中第j组位置，0≤i≤任务总数,0≤j≤共享Cache相联度。

7.根据权利要求1所述的面向多核处理器的共享Cache冲突预测方法，其特征在于，所述根据观察值向量预测任务的失效率具体为，任务i在Cache状态S_j下发生失效的概率为

系统Cache失效率为M个任务失效率的和与任务对Cache访问次数的比值即

。

8.根据权利要求1所述的面向多核处理器的共享Cache冲突预测方法，其特征在于，所述根据观察值向量预测并发任务间发生Cache访问冲突的概率具体为，任务i与其他任务发生Cache访问冲突的概率为

系统平均每次访问Cache引起任务间Cache访问冲突的概率为

其中，CDF_ij(O_t)在输出概率为O_t时，任务i和任务j发生冲突的累计值。

9.根据权利要求7所述的面向多核处理器的共享Cache冲突预测方法，其特征在于，所述Cache访问冲突的条件为